способ отказобезопасного автоматического управления движением корабля

Формула изобретения

Способ отказобезопасного автоматического управления движением корабля, использующий модули: программный, вычислительный, исполнительных устройств и измерительный, в последнем формируется сигнал угла курса - , в программном модуле формируется сигнал заданного угла курса - _зд, оба сигнала вводятся в вычислительный модуль, в котором используют также сигнал угловой скорости курса из измерительного модуля для формирования сигнала заданного значения угла перекладки руля - _зд, сигнал _зд вводят на вход модуля исполнительных устройств, на выходе которого формируется сигнал угла перекладки руля - , отличающийся тем, что используют блок диагностики и резервные модули: вычислительный - _{зд.резер}, исполнительных устройств - _резер, измерительный - _резер и модель исполнительных устройств - _{модельн}, сигналы: , _зд, , _резер, _{модельн} из соответствующих модулей вводят в блок диагностики, в последнем формируют: первый сигнал разности сигналов угла курса (из измерительного модуля) и заданного угла курса (из программного модуля) | - _зд|, второй сигнал разности сигналов угла курса (из измерительного модуля) и сигнала резервного угла курса (из резервного измерительного модуля) | - _резер|, третий сигнал разности сигналов _зд (из вычислительного модуля) и сигнала _{зд.резер} (из резервного вычислительного модуля) | _дз- _{дз.резер}|, четвертый сигнал разности сигналов (из модуля исполнительных устройств) и сигнала _{модельн} (из резервного модуля модели исполнительных устройств) | - _{модельн}|, модуль первого сигнала разности сигналов сравнивают с сигналом допустимого значения, если модуль первого сигнала разности сигналов не превышает сигнал допустимого значения, то через интервалы времени t вновь сравнивают модуль первого сигнала разности сигналов с сигналом допустимого значения, в момент времени n t, когда модуль первого сигнала разности сигналов превысит сигнал допустимого значения, то модуль второго сигнала разности сигналов сравнивают с сигналом допустимого значения, и если модуль второго сигнала разности превышает сигнал допустимого значения, то в вычислительном модуле формируют сигнал заданного значения угла перекладки руля - _зд с использованием сигнала заданного угла курса _зд (из программного модуля) и сигнала резервного угла курса _резер (из резервного измерительного модуля), сигнал заданного значения угла перекладки руля - _зд вводят на вход модуля исполнительных устройств, на выходе модуля исполнительных устройств формируется угол перекладки руля , модуль второго сигнала разности сигналов меньше допустимого значения, то формируют модуль третьего сигнала разности сигналов и сравнивают с сигналом допустимого значения, если третий сигнал разности сигналов больше допустимого значения, то в резервном вычислительном модуле формируют заданное значение угла перекладки руля - _{зд.резер} с использованием сигнала заданного угла курса - _зд (из программного модуля) и сигналов угла курса и угловой скорости (из измерительного модуля), сигнал _{зд.резер} вводят на вход модуля исполнительных устройств, на выходе модуля исполнительных устройств формируется сигнал угла перекладки руля - , третий сигнал разности меньше допустимого значения, то формируют модуль четвертого сигнала разности сигналов, если модуль четвертого сигнала превышает сигнал допустимого значения, то в вычислительном модуле формируют заданное значение угла перекладки руля - _зд с использованием сигнала заданного угла курса - _зд (из программного модуля) и сигнала угла курса (из измерительного модуля), которое вводят на вход резервного модуля исполнительных средств, на входе последнего формируется сигнал угла перекладки руля - _резер.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области судостроения - автоматическому управлению движением корабля с диагностированием исправности работы модулей системы автоматического управления движением (САУД) корабля и автоматической перестройкой САУД для сохранения ее работоспособности при наличии сбоя в каком-либо модуле системы

Известен способ управления движением корабля с диагностикой САУД путем оценки сигнала рассогласования текущего угла курса относительно заданного его значения [Острецов Г.Э. Методы построения отказобезопасных систем управления движением корабля. // Международный научно-технический семинар «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки, информации». Украина, Алушта, 2009 г. Сборник трудов, стр.23].

Известен способ повышения качества измеряемой информации в САУД путем сравнения измеренных сигналов с полученными от электронной модели процесса управления движением корабля [Система восстановления параметров движения корабля. // Сборник трудов междуведомственного Совета по управлению движением судов, выпуск XX, изд. ИЛУ РАН, 1993 г., Москва. Стр.16-18].

Известен также способ управления движением корабля с диагностированием исправности отдельных элементов САУД в процессе работы (патент России № 2155142, принятый нами в качестве прототипа). В этом способе управления движением судна используют сигналы текущего угла курса - , скорости изменения курса - d/dt и сигнал заданного значения угла курса - _зд, которые вводят в вычислитель для формирования сигнала заданного угла перекладки руля - _зд. На выходе вычислителя формируется закон управления рулевым приводом: _зд:

.

Этот же сигнал _зд вводят на вход электронной модели рулевой системы для формирования сигнала модельного угла перекладки руля - _модели, который при исправности рулевой системы тождественен сигналу угла перекладки руля с выхода рулевой системы - . Сигналы угла перекладки руля с выхода рулевой системы - и выхода электронной модели рулевой системы - _модели вводят на индикатор. При разности сигналов более допустимой величины C₁ индикатор в САУД срабатывает, информируя судоводителя о сбое в рулевой системе:

К недостаткам рассмотренного способа автоматического управления движением судна с диагностикой сбоя в рулевой системе следует отнести:

- индикатор сбоя отмечает только расхождение сигналов в рулевой системе относительно сигналов, полученных в модели рулевой системы, а где произошел сбой, в самой рулевой системе или в электронной модели рулевой системы, не выявляется,

- если произошел сбой в рулевой системе, рассмотренный способ диагностирования выдаст только информацию о сбое, при этом аварийная ситуация ждет личного участия судоводителя (судно окажется без автоматического управления),

- выявляется сбой только в одном из узлов САУД.

Предлагаемый способ управления лишен отмеченных недостатков. Целью способа отказобезопасного автоматического управления движением корабля является сохранение автоматического управления движением корабля при любом сбое в системе управления движением.

Способ базируется на формировании сигналов управления в автономных модулях повышенной надежности, т.е. архитектура САУД строится по модульно- структурному принципу и содержит:

- измерительный модуль - ,

- программный модуль - _зд,

- вычислительный модуль - _зд,

- модуль исполнительных средств - .

Для выявления сигнала сбоя и перестройки закона управления используется блок диагностики с резервными модулями:

- измерительный модуль - _рез,

- вычислительный модуль - _{зд. резервный},

- модуль модели исполнительных средств - _{модельный},

- модуль резервных исполнительных средств - _резерв.

Формирование способа автоматического управления движением корабля базируется на достоверном выявлении факта сбоя в конкретном модуле САУД и изменении архитектуры САУД для обеспечения автоматического управления при появлении сбоя в каком-либо модуле САУД.

Сигналы из измерительного модуля - и программного модуля - _зд вводят на вход вычислительного модуля, на выходе которого формируется сигнал управления _зд в соответствии с зависимостью (1). Сигнал _зд вводят на вход модуля исполнительных средств - .

Одновременно сигналы из измерительного модуля - и программного модуля - _зд вводят в блок диагностики для формирования сигнала модуля разности этих двух сигналов.

Модуль разности формируют через интервалы времени t:

Если модуль разности превысит заданное значение:

в блоке диагностики формируют сигнал d/dt _зд и если выполняется условие (4):

формируют модули сигналов невязок:

При выполнении условия (5а):

сигнала - из измерительного модуля отключают от входа вычислительного модуля - _зд, а сигнал - _фрез из резервного измерительного модуля вводят на вход вычислительного модуля - _зд для формирования корректированного закона управления.

При выполнении условия (6а)

Сигнал - _{зд.резервный} из резервного вычислительного модуля вводят на вход модуля резервных исполнительных средств, вместо сигнала - _зд из вычислительного модуля. При выполнении условия (7а):

сигнала - _зд из вычислительного модуля отключают от модуля исполнительных средств - и вводят на вход модуля резервных исполнительных средств сигнал - _резер.

Таким образом формируется способ отказобезопасного автоматического управления движением корабля при выявлении любого ложного сигнала , или _зд, или , с автоматической перестройкой архитектуры САУД,

Рассмотрим аппаратурный вариант реализации предложенного способа.

На фиг.1 приведена архитектура построения САУД в модульно-структурном исполнении с системой диагностики.

Собственно система автоматического управления движением может быть реализована в виде четырех автономных модулей повышенной надежности. Для диагностирования сбоя в любом модуле САУД введен блок диагностики с модулями: моделью исполнительных устройств, резервным измерительным модулем, резервным вычислителем и резервными исполнительными средствами.

Рассмотрим детально часть аппаратуры САУД, реализующую предложенный способ управления движением корабля, если выполняются условия (3) и (6а) (см. фиг.2, в этом случае в блоке диагностики используются только резервный модуль - исполнительных средств и модуль - модель исполнительных устройств).

Сигнал заданного значения угла курса - _зд, сформированный в программном модуле - 5, вводится в вычислитель - 3, на вход вычислителя также вводится сигнал текущего курса - и угловой скорости - из измерительного модуля - 1. На выходе вычислителя формируется управляющий сигнал - _зд, который проходит через переключатель - 7 на вход исполнительного устройства (рулевой системы) - 4:

где _зд - заданное значение угла перекладки руля,

K_i - коэффициенты регулирования. Для диагностирования появления сбоя в рулевой системе используют

сигналы с измерительного модуля - 1, модуля - модели исполнительных устройств - 6 и модуля исполнительных устройств - 4:

- текущего курса из измерительного модуля,

_зд - заданного значения угла курса из программного модуля,

- угла перекладки руля из модуля исполнительные устройства,

_модели - угла перекладки руля из модуля модели исполнительных устройств,

В блоке диагностики - 2 формируют появление сигнала сбоя в модуле исполнительных устройств (рулевой системе), который поступает в переключатель - 7, при выполнении двух условий:

и

где C₁, С - постоянные значения, задаваемые судоводителем.

При выполнении условий (3) и (7а) в блоке переключателе сигнал автоматического управления движением судна (1), поступивший из вычислителя, отключается от модуля исполнительных устройств (рулевой системы) - 4 и подключается на вход модуля резервных исполнительных средств - 8.

При реализации рассматриваемой аппаратуры: 1 - измерительный модудь САУД, может быть принят типа «Мининавигация» (разработки ЦНИИ «Электроприбор» С. Петербург); 2 - блок диагностики можно реализовать на типовом микроконтроллере, 3 - вычислитель реализуется на микросхеме 140УД-6, 4 - исполнительные устройства - штатная корабельная рулевая машина; 5 - программный модуль - типовой микроконтроллер, 6 - модуль-модель исполнительных устройств (электронная модель рулевой системы) может быть реализована на двух микросхемах 140 УД-6 и 140 УД-8, 7 - блок переключения реализуется на электромагнитном реле и 8 - резервный модуль дополнительных исполнительных средств управления движением корабля может быть реализован на интерцепторах и (или) виде регуляторов,

управляющих левым и правым гребными винтами (для создания «раздрая» оборотов гребных винтов).

Описание работы СА УД корабля с диагностикой и перестройкой архитектуры при сбое в исполнительных устройствах (см. фиг.2). Заданное значение угла курса - _зд, формируемое в программном модуле - 5, поступает в вычислитель - 3. В вычислитель также вводится текущей курс - и сигнал угловой скорости - из измерительного модуля - 1. На выходе вычислителя формируется управляющий сигнал исполнительными средствами (рулевым приводом) - _зд в соответствии с зависимостью (1), который поступает через блок переключения - 7 на вход рулевой системы - 4, что приводит к движению корабля по заданному направлению (в нормальных условиях эксплуатации).

При появлении сбоя в блоке диагностики - 2 осуществляется достоверное выявление начала аварии. Это достигается, если удовлетворяются два условия по зависимости (3) и зависимости (7а). Сигнал сбоя из блока диагностики поступает в блок переключения - 7 на срабатывание реле, которое переключает управляющий сигнал из вычислителя - _зд от входа модуля исполнительного устройства (рулевой системы) - 4 и подключает к входу модуля резервных исполнительных средств, управляющих движением корабля - 8. Так восстанавливается автоматическое управление корабля в соответствии заданным заданием - _зд, при сбое в модуле исполнительных средств.

Для выявления сбоя в измерительном модуле рассмотренную аппаратуру, приведенную на фиг 2, следует дополнить резервным измерительным модулем в соответствии с фиг.1.

На фиг.3 приведена блок-схема части аппаратуры САУД, которая позволит выявить сбой в измерительном модуле и перестроить архитектуру для продолжения эффективного автоматического управлением движением корабля.

Описание работы САУД с диагностикой сбоя в измерительном модуле и перестройкой структуры управления САУД [фиг 3].

Требуемое направление движения корабля формируется в программном модуле - 5 в виде задания направления движения корабля - _зд, которое поступает в вычислительный модуль - 3. В вычислительный модуль также вводится текущей курс - и сигнал угловой скорости - из измерительного модуля - 1. На выходе вычислительного модуля формируется управляющий сигнал исполнительными средствами управления движением (рулевым приводом) - _зд в соответствии с зависимостью (1).

Управляющий сигнал _зд через блок переключения поступает на вход модуля исполнительных средств - 4, что приводит к движению корабля по заданному направлению в нормальных условиях плавания.

Достоверное выявление сбоя в измерительном модуле осуществляется в блоке диагностики - 2. С этой целью к блоку диагностики подключены измерительный модуль - 1, резервный измерительный модуль - 6 и программный модуль - 5. Условия сбоя формируются в блоке диагностики и имеют вид:

и

При удовлетворении условий (3) и (5а) в блоке диагностики формируется сигнал изменения закона управления в модуле вычислителе САУД. На выходе вычислителя формируется сигнал резервного управления - _{зд.резер}:

Этот сигнал из модуля вычислителя поступает на вход модуля исполнительных средств. При этом, несмотря на сбой в измерительном модуле - 1, автоматическое управление кораблем сохраняется в соответствии с заданным значением - _зд.

На фиг.4 приведена блок-схема с корректировкой части аппаратуры (добавлен резервный модуль вычислитель в соответствии с фиг.1). Это позволяет выявить сбой в модуле-вычислителе и перестроить архитектуру САУД для продолжения эффективного автоматического управлением движением корабля при наличии сбоя в вычислителе.

Перестройка происходит при удовлетворении двух условий:

В блоке диагностики после выполнения условий (3) и (6а) вырабатывается сигнал, который поступает в блок переключения - 7 при этом на модуль исполнительных устройств вместо сигнала из модуля вычислителя - _зд. поступит сигнал от резервного вычислителя - _{зд.резервный}.

Проведенное моделирование с использованием электронных резервных моделей подтвердило эффективность предложенного способа диагностирования САУД с перестройкой архитектуры при сбое в любом модуле.